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可热处理强化的6系铝合金,由于具有成型性好、耐腐蚀性强和强度较高等特点,广泛应用于汽车领域以替代原有钢制零部件,是实现轻量化最理想的结构材料之一。众所周知,铝合金结构件在服役过程中除了受静态载荷外,还不可避免地要承受动态冲击载荷。然而,目前有关6系铝合金的研究主要集中在中低应变速率条件下的变形行为及显微组织演变,对其在高速冲击载荷下的变形行为、本构关系、变形机制及显微组织演变的研究还较少。为了提高6系铝合金结构件在汽车等领域运用的可靠性和服役寿命,有必要对铝合金在冲击载荷下的力学响应及显微组织演变进行研究。 本文以6063铝合金为研究对象,通过静态和动态压缩变形,研究该合金在不同应变速率、不同变形温度和不同应变量条件下的力学行为,结合金相显微镜、透射电子显微镜和X射线衍射仪等先进显微组织表征技术,探究该合金在变形过程中的显微组织演变机制,本文完成的研究工作及主要成果如下: (1)6063铝合金在高速冲击条件下无尺寸效应,可以通过减小试样尺寸来获得较高的应变速率。经固溶处理后的铸态6063铝合金在动态冲击载荷下的应变速率敏感性不强,而经人工时效处理后的铸态6063铝合金却表现出明显的正应变速率敏感性,且其应变速率敏感性随时效时间的增加先增加后减小。基于铸态6063铝合金在高速冲击载荷下的应力-应变曲线,提出了一个包含温升效应和应变速率效应函数的Johnson-Cook修正模型。利用该修正模型对铸态6063铝合金在较大应变速率范围内的流变应力进行了预测,其拟合结果与实验结果吻合较好。 (2)经人工时效处理后的铸态6063铝合金在高速冲击载荷下,其析出相能有效阻碍位错的运动,且这一效应随变形时间的减小和析出相弥散化程度的增加而不断增加,因此材料表现出不同的应变速率敏感性。经不同时效处理后合金中析出相在动态冲击载荷下的演变行为表现出完全不同的特征。在欠时效合金中发现了析出相动态析出现象,峰时效合金的析出相则出现了一定程度的扭曲变形,并有少量回溶现象,但对于过时效态合金来说其析出相的变化却不明显。此外,各热处理状态合金在冲击变形后均形成了明显的<110>织构,织构强度随应变和应变速率的增加而增加。 (3)挤压态6063-T4铝合金在低应变速率和动态压缩下的力学性能都表现出明显的各向异性。0°方向试样强度最高,45°方向试样强度最低。6063-T4铝合金挤压棒材中主要织构组分为{112}<111>和{110}<111>。对于{112}<111>织构,沿着0°,45°和90°方向的最大施密特因子分别为0.27,0.49和0.41。对于{110}<111>织构,沿着0°,45°和90°方向的最大施密特因子分别为0.27,0.43和0.41。0°方向施密特因子最小,45°方向施密特因子最大。在动态冲击过程中,挤压态6063-T4铝合金的原始织构随应变量的增加逐渐减弱,并形成新的变形织构,应变速率对织构演变的影响较小。 (4)在100℃到400℃的温度范围低应变速率压缩时,挤压态6063-T4铝合金材料的应力随着温度的升高而降低,合金热变形过程中的软化机制主要为动态回复。随着变形温度升高和应变速率减小,原始的挤压纤维晶粒不断分解,变形温度为400℃,应变速率为0.01s-1时,挤压态6063-T4铝合金中出现大量细小晶粒。 (5)在-100℃到400℃温度范围内动态压缩时,挤压态6063-T4铝合金的应力均随应变速率的增加而增加。当变形温度在-100℃到100℃区间时,在相同应变速率下合金的应力随变形温度的升高迅速下降,这是由于铝合金启动交滑移所需要的临界应力随变形温度的升高迅速降低。在200℃变形时,合金的应力略高于100℃条件下的应力水平,这是由于析出相的动态析出明显增加,强化了材料的力学性能。当变形温度增加至300℃到400℃区间时,6063-T4铝合金应力随变形温度的增加继续下降,但下降趋势较缓。在400℃条件下变形过程中,合金中产生了明显的动态再结晶现象。挤压态6063-T4铝合金在不同温度下高速冲击过程中,应变量对材料微观组织和宏观织构演变有重要影响。